In the present study, the flow behaviors of square jets surface discharged and submerged discharged into shallow water were each simulated using computational fluid dynamics, and the results were compared. As for the verification of the models, the results of the hydraulic experiment conducted by Sa...
In the present study, the flow behaviors of square jets surface discharged and submerged discharged into shallow water were each simulated using computational fluid dynamics, and the results were compared. As for the verification of the models, the results of the hydraulic experiment conducted by Sankar, et al. (2009) were used. According to the results of the verification, the present application of computational fluid dynamics to the flow analysis of square jets discharged into shallow water was valid. As for the wall jet, which is one form of submerged discharges, at the bottom wall boundary, the peak velocity of the jet rapidly moved from the center of the jet to the bottom wall boundary due to the restriction of jet entrainment and the no-slip condition of the bottom wall boundary, and, as for the surface discharge, because jet entrainment is limited on the free water surface, the peak velocity of the jet moved from the center of the jet to the free water surface. This is because jet entrainment is restricted at the bottom wall boundary and the surface so that the momentum of the central core of the jet is preserved for considerable time at the bottom wall boundary and the surface. In addition, due to the effect of the bottom wall boundary and the free water surface, the jet discharged into shallow water had a smaller velocity diminution rate near the discharge outlet than did the free jet; at a location where it was so distant from the discharge outlet that the vertical profile of the velocity was nearly equal (b/x =20~30), moreover, it had a far smaller velocity diminution rate than did the free jet due to the effect of the finite depth.
In the present study, the flow behaviors of square jets surface discharged and submerged discharged into shallow water were each simulated using computational fluid dynamics, and the results were compared. As for the verification of the models, the results of the hydraulic experiment conducted by Sankar, et al. (2009) were used. According to the results of the verification, the present application of computational fluid dynamics to the flow analysis of square jets discharged into shallow water was valid. As for the wall jet, which is one form of submerged discharges, at the bottom wall boundary, the peak velocity of the jet rapidly moved from the center of the jet to the bottom wall boundary due to the restriction of jet entrainment and the no-slip condition of the bottom wall boundary, and, as for the surface discharge, because jet entrainment is limited on the free water surface, the peak velocity of the jet moved from the center of the jet to the free water surface. This is because jet entrainment is restricted at the bottom wall boundary and the surface so that the momentum of the central core of the jet is preserved for considerable time at the bottom wall boundary and the surface. In addition, due to the effect of the bottom wall boundary and the free water surface, the jet discharged into shallow water had a smaller velocity diminution rate near the discharge outlet than did the free jet; at a location where it was so distant from the discharge outlet that the vertical profile of the velocity was nearly equal (b/x =20~30), moreover, it had a far smaller velocity diminution rate than did the free jet due to the effect of the finite depth.
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문제 정의
본 연구에서는 바닥면과 자유수면의 영향을 동시에 받는 천해 역에 위치하는 사각형제트의 흐름거동을 전산 유체역학(CFD) 해석을 통하여 분석하였다. 해석결과는 Sankar 등(2009) 의 LDA (Laser doppler anemometer) system 을 이용한 수리실험결과와 비교분석을 통해 검증하였다.
방류된 제트는 방류구 근처에서 제트포획 연행과정이 운동량이나 물질의 혼합과정을 지배하고 방류구에서 멀어질수록 점차 난류확산과 주 변수 흐름이 운동량이나 물질의 혼합과정을 지배하게 된다. 본 연구에서는 방류구 근처 즉, 제트포획연행이 제트의 거동을 지배하는 근역(near field)에서의 사각형제트의 흐름 거동을 해석하고자 한다.
본 연구에서는 천해역에 수표면 및 수중방류된 사각형 제트의 흐름 거동을 전산유체역학을 이용하여 각기 모의하고 그 결과를 비교하였다. 모형의 검증은 Sankar 등(2009)의 사각형 제트의 수리실험결과를 이용하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
3장 모형의 검증과 동일한 실험수로에서, 주변수체의 수심(Ho)과 사각형제트의 연직방류위치만을 변화시키며 수 표면방류와 수중방류된 사각형제트의 흐름 거동을 분석하였다. 실험을 위한 수심(Ho)이 0.
모의구간의 상부면은 대칭경계조건을 부여하였으나, 경계면과 물 사이에는 대기압의 공기층이 존재하고 있어, 물의 흐름은 경계조건의 영향을 받지 않는다. 계산결과의 수렴여부는 흐름의 운동에너지, 난류에너지, 유입 및 유출량의 수렴여부를 이용하여 판단하였다. 본 연구에서는 이상의수렴조건을 만족할 수 있도록 200초 동안 계산한 결과를이용하여 분석하였다.
5인 경우는 수표면방류로 방류구의 천장이 자유수면과 일치하는 경우이다. 그리고 비교를 위하여 자유수면과 바닥면의 영향을 받지 않은 사각형자유제트(free square jet)에 대한 흐름 거동을 모의하였다. 사각형자유제트의 모의를 위해서, 수심 2.
해석결과는 Sankar 등(2009) 의 LDA (Laser doppler anemometer) system 을 이용한 수리실험결과와 비교분석을 통해 검증하였다. 그리고 사각형제트의 연직 방류위치에 따른 흐름거동을 분석하였다.
계산결과의 수렴여부는 흐름의 운동에너지, 난류에너지, 유입 및 유출량의 수렴여부를 이용하여 판단하였다. 본 연구에서는 이상의수렴조건을 만족할 수 있도록 200초 동안 계산한 결과를이용하여 분석하였다.
그리고 비교를 위하여 자유수면과 바닥면의 영향을 받지 않은 사각형자유제트(free square jet)에 대한 흐름 거동을 모의하였다. 사각형자유제트의 모의를 위해서, 수심 2.0m, 수로폭 2.0m 의 무한수체에 앞의 조건과 동일한 사각형 제트가 수심의중앙부에서 수평 방류되는 조건으로 모의하였다.
8은 사각형제트의 중심축을 따라 주흐름방향유속의종분포를 도시한 것이다. 유속감쇠율을 비교하기 위하여 사각형자유제트의 유속감쇠 율을 함께 도시하였다. 종방향위치는 방류구의 길이(b), 주흐름방향유속은 초기방류유속 (Uo)으로 무차원화하여 도시하였다.
대상 데이터
5 ~27범위에서 주흐름방향유속을 측정하여 원형 자유 제트의 거동과 비교하였는데, 본 연구에서도 모의결과를 상기 수리실험 결과와 비교, 검토하였다. 계산격자는 노즐 부근의 흐름이 급변하는 곳은 격자를 촘촘하게, 흐름의 변화가 완만한 곳은 격자를 느슨하게 배치하여 107, 352개의 요소 (element)로 구성하였다. 제트의 유입부는 일정한 유속조건을 부여하였으며 우측면의 유출부는 일정한 수위조건을부여하였다.
데이터처리
해석을 통하여 분석하였다. 해석결과는 Sankar 등(2009) 의 LDA (Laser doppler anemometer) system 을 이용한 수리실험결과와 비교분석을 통해 검증하였다. 그리고 사각형제트의 연직 방류위치에 따른 흐름거동을 분석하였다.
이론/모형
물과 공기의 경계인 자유수면을 모델링하기 위하여 VOF(volume of fluid)함수를 정의하는 데, 함수의 값이 1인 경우는 검사체적에 물이 가득한 상태를 의미하고 자유수면에서는 함수의 값이 0과 1사이의 값을 가진다. 난류 모형은 RNG k-e 모델을 사용하였다. RNG k-e 모델은 기존 k~e 모델에비해 그 적용성이 넓고 특히, 저강도의 난류흐름과 강한 전단흐름 영역의 정확한 해석에 장점이 있는 것으로 알려져있다(Yakhot 등, 1992).
흐름 거동을 전산유체역학을 이용하여 각기 모의하고 그 결과를 비교하였다. 모형의 검증은 Sankar 등(2009)의 사각형 제트의 수리실험결과를 이용하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
모형의 검증을 위하여 Sankar 등(2009)의 수리실험과 동일한 조건으로 수치모의를 하였다. Fig.
비압축성 유체의 흐름을 해석하기 위하여 본 연구에서 사용한 상용 CFD 코드인 FLOW-3D에서 사용하는 지배방정식은 직교좌표계 x, y, z) 에서의 다음과 같은 RANS (Reynold-Averaged Navier-Stokes Equation)이다 (Flow Science, 2007).
지배 방정식의 차분식 은 운동방정식의압력항과 연속방정식의 유속항을 제외하면 모두 양해법으로 차분된다. 연속방정식을 만족하도록 압력항을 계산하기위해서는 SOR(successive over relaxation)법과 SADI (special -alternating line implicit)법을 사용할 수 있다. 계산절차는 (1) 운동방정식을 양해법으로 풀어서 각방향의유속을 계산 (2) 연속방정식을 만족하도록 운동방정식의압력과 유속을 반복 계산 (3) 자유수면, 난류특성을 계산하는 순서로 이루어진다.
지배방정식은 유한차분법을 이용하여 이산화되며, 격자계의 구성시 격자망과 지형은 독립적으로 입력되며 특히, FAVOR(fractional area and volume obstacle representation)기법을 사용함으로써 유한체적법의 접근방법으로 해석된다. 지배 방정식의 차분식 은 운동방정식의압력항과 연속방정식의 유속항을 제외하면 모두 양해법으로 차분된다.
성능/효과
2) 사각형제트의 연직위치를 변화시키며 흐름 거동을 분석한 결과 첨두유속이 바닥제트의 경우 바닥면쪽으로, 수표면 방류의 경우 수표면쪽으로 이동하였다. 이러한 현상은 제트포획연행이 바닥면과 수표면에서 제한되므로제트의 중심코어가 가지는 운동량이 상대적으로 늦게까지 보존되기 때문이다.
3) 방류구 근처에서는 바닥면과 유한수심으로 인한 자유 수면의 영향으로 천해역에 방류된 제트는 자유제트에 비해 유속감쇠율이 작게 나타나며, 유속의 연직분포가 거의 균일할 정도로 방류구에서 떨어진 위치(b/x=20~30)에서는 여기에 유한수심의 영향으로 제트의 포획연행이 제한되어 유속의 감쇠가 자유제트에 비해 더욱 작게 발생하였다.
후속연구
본 연구결과는 천해역에 방류된 사각형제트의 유속구조파악 뿐 아니라, 제트가 수체의 자유수면과 바닥면에 미치는 영향을 평가하는데 활용할 수 있을 것이다. 특히 바닥제트의 경우는 방류구 근처의 세굴과 관련된 문제에 본 연구의 결과를 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
영향을 평가하는데 활용할 수 있을 것이다. 특히 바닥제트의 경우는 방류구 근처의 세굴과 관련된 문제에 본 연구의 결과를 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
참고문헌 (16)
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속초시 (1996) 속초시 하수종말처리장 추가공사 기본 및 실시설계보고서.
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